赵广汉年轻时做过郡吏、州从事，以廉洁和礼贤下士闻名，因为参与大将军霍光拥立汉宣帝一事，被赐爵关内侯，升任颍川太守。颍川有大姓宗族，仗势欺人，所蓄养的宾客多为盗贼，前任太守奈何不得。赵广汉到任数月，诛杀首恶，郡中恶人大为惊恐。后又调任京兆尹，成为长安的父母官。
赵广汉礼贤下士，对待属下官吏殷勤周到。每到论功之时，赵广汉总是将功劳推让给部下，并自称能力比不上他们，极为至诚。属下官吏见赵广汉如此相待，都表示愿意接受差遣，即使赴死也不推辞。赵广汉对属下的能力以及做事是否尽力洞若神明，如果有谁欺骗他，会当即被抓住，无一例外。在判案定案时，因为证据确凿，罪犯无法抵赖，立即服罪。
在与他人的交谈过程中，赵广汉渐渐总结出探知实情的方法——“钩距法”。这种方法讲究调查，注重对比推算，结果往往十分准确。赵广汉曾对人说：“我想知道马的价格，用‘钩距法’行事，我先问狗的价格，再问羊价、牛价，最后才问马价。这样层层验证，一番比较计算后，我就知道马价是高是低了，一般不会有什么大的差错。”
赵广汉的好友对他的“钩距法”不感兴趣，一次好友对他说：“我们在朝为官，自然不屑和商贩讨价还价，你钻研这种学问，又有什么用处呢？”
赵广汉回答说：“做官的人若不熟悉民情，洞察一切，又如何能造福一方、保一方平安呢？‘钩距法’不仅可以用来了解市场行情，用于政务，也可以让我知己知彼，对症下药。如果我偏听偏信，真不知会有多少错案发生，而真正的害群之马就会逃脱惩罚。”赵广汉上任时，长安的治安一度混乱，百姓受害的事时有发生，官匪勾结十分猖獗。面对这种严峻的状况，赵广汉召集心腹属下说：“我上任伊始，并不熟悉此中内情，想打击犯罪，也不知从何下手。何况情况不明，乱下重手只会引起混乱，我想让你们暗中侦察，把盗贼的踪迹摸清。”
心腹属下面有难色，说：“盗贼行踪诡秘，出入不定，在此用力难出成效。从前的官员都是有事打压，无事清闲，大人何必自讨苦吃呢？”
赵广汉脸上肃穆，郑重道：“盗贼不绝，根源乃在我们不晓其根底，从前的官员不尽职所致。我志在剿除盗贼，自然不能和从前的官员一样无所作为，这是我的命令，违者必惩！”
赵广汉命人暗中详查，表面上却故作轻松，没有更严的戒备，盗贼们以为赵广汉碌碌无为，于是放下心来，放胆胡为。一时之间，盗贼蜂拥而出，长安形势更坏。
朝中大臣上书指责赵广汉失职：“京城盗贼横行，京兆尹赵广汉却放纵不管，不知他是何居心。赵广汉定与盗贼勾结，望陛下彻底肃查。”
汉宣帝也怒气冲冲地质问赵广汉说：“朕深居宫中，都听说宫外盗贼横行之事，你有何交代吗？”
赵广汉叩头不止，连声说：“陛下不要担心，请让臣把话说完。”
他从容地说：“京城重地，盗贼必须彻底剿灭，这是臣决心要做到的事。无奈贼情不明，轻举妄动便会打草惊蛇，这也是臣最担心的。臣故意装作不闻不问，只是想让盗贼悉数暴露，以便臣的属下全然摸清盗贼状况，查清他们肇事的根源，以及那些和他们勾结的差吏收取了多少贿赂。只有将这些情况都搞得明明白白，才能将他们一网打尽，让他们无法抵赖。陛下放心，臣已广布人手侦查此事，用不了多长时间，便是盗贼的末日了。”
汉宣帝听罢，不再责怪赵广汉，“朕暂且相信你一次，你还是好好把握时机吧。”不久，全然掌握贼情的赵广汉四面出击，每击必中，长安盗贼被肃之一空。赵广汉察觉奸邪之人，揭露隐秘之事有如神灵一般，所以在他任职期间，长安政治清明，官吏百姓赞不绝口，都认为自汉朝建立以来没有一个京兆尹能比得上赵广汉。
赵广汉喜欢任用出身官吏之门的年轻人，磨炼他们的刚猛和锐气，这些年轻人有胆识，做事雷厉风行而不畏艰难。赵广汉执法不避权贵，因办案得罪了霍光的儿子霍禹、丞相魏相和司直萧望之等权贵，因此招祸。赵广汉出于私人怨恨，将一名男子判处死刑。此事被人告发，汉宣帝命丞相魏相和御史负责审查。最终赵广汉被定罪，投入狱中。
官吏和百姓听说赵广汉被捕，到皇宫门前号哭，人数多达数万。有人说：“我活着对皇上并无益处，愿意代替赵京兆去死，让他留下来照管百姓！”然而赵广汉还是被处以腰斩。赵广汉身为京兆尹，廉洁明察，以威严抑制豪强，使百姓各得其所，受到百姓的尊敬。